稀土元素铽及其应用

　　铽 属于重稀土，在地壳中的丰度很低，仅为1.1ppm,在稀土元素中排列第14位，仅仅高于铥、镥和钷。在我国白云鄂博稀土矿中，氧化铽在总稀土中占有量不 足0.01%，就是在含铽最高的高钇离子型重稀土矿中，铽的含量也仅占总稀土的1.1~1.2%，可见它属于稀土元素系列中的“贵族”。它具有像其它稀土 金属一样的化学活泼性，能与许多非金属发生化学反应，并与金属元素形成合金或金属间化合物。化学反应中可呈正三价和正四价，其氧化物分子式通常写成 Tb4O7，相当于两个TbO2和一个Tb2O3。虽然早在1843年瑞典的莫桑德（Karl G.Mosander）就在“钇土”中发现了铽，但100多年来，由于铽的稀缺和贵重，使它长期未获得实际应用。

　　近30年来，随着电子信息产业的迅猛发展，一批新型铽基稀土功能材料应运而生，铽才显示出其特有的才能。铽的应用大多涉及技术密集和知识密集型尖端技术领域，经济效益显著，有着诱人的发展前景。

　 　镧系元素由于拥有特殊的4f电子轨道（14个），在外界能量（紫外和电子射线等）激发下产生丰富的电子跃迁，并将所吸收的能量以光的形式放出，从而产生 特殊的荧光。现代光电子材料，都要用红、绿、蓝三种基本颜色的荧光粉，即三基色荧光粉，用这三基色可以合成各种颜色。而铽正是许多优质绿色荧光粉不可缺少 的组份。

　如果说是稀土彩电红色荧光粉的诞生 刺激了对钇和铕的需求，那么灯用稀土三基色绿色荧光粉则推动了铽的应用发展。20世纪80年代初菲利浦发明了世界上第一支紧凑型节能荧光灯，并很快在全球 推广。Tb3+离子可以发出波长为545nm的绿光，几乎所有的稀土绿色荧光粉都用铽做激活剂。节能灯的用三基色绿粉荧光粉有 CeMgAl11O19∶Tb＋3、LaPO4∶Ce＋3.Tb＋3（LAP）和GdMgB5O10∶Ce＋3.Tb＋3。

　 　彩电阴极射线管（CRT）用的绿色荧光粉一直用价格便宜而又效率高的硫化锌基为主，但用作投影彩电绿粉的一直是铽粉，有Y2SiO5∶Tb＋3、Y3 （Al，Ga）5O12∶Tb＋3和LaOBr∶Tb＋3等。随着大画面高清晰度电视（HDTV）发展，也在开发高性能CRT用绿色荧光粉，如国外研究开 发出一种混合型绿色荧光粉，其成分由Ｙ3(Al，Ga)5O12：Tb＋3，LaOCl：Ｔb＋3和Y2SiO5：Tb＋3 三种绿色荧光粉组成，在高电流密度下拥有优异的发光效率。

　 　传统的X射线用荧光粉是钨酸钙。20世纪70～80年代，开发出增感屏用稀土荧光粉，如铽激活的硫氧化镧、铽激活的溴氧化镧（绿屏用），铽激活的硫氧化 钇等。与钨酸钙相比，稀土荧光粉可使患者受X射线照射的时间减少80%，还能提高X光片的分辨率，延长X射线管的寿命，并降低能耗。

　　在新型半导体照明用蓝光激发的白色LED用荧光粉中也使用了铽做激活剂。可用来制作铽铝磁光晶体荧光粉，利用蓝光发光二极管作为激发光源，产生的荧光与该激发光混色产生纯白色光。

　 　铽还被用做医用X射线增强屏的荧光粉激活剂，主要有有Gd2O2S∶Tb3+、GdTaO4∶Tb3+、Gd2SiO5∶Tb3+和 Gd3Ga5O12∶Tb3+等，可大大提高X射线转化成光学图象的灵敏度，提高X光片的清晰度，并能大大减少X射线对人体的幅照剂量（减少50%以 上）。

　　用铽制造的电致发光材料，主要有以铽为激发剂的硫化锌绿色荧光 粉。在紫外线照射下，铽的有机配合物能发射出强烈的绿色荧光，可用作薄膜电致发光材料。稀土有机配合物电致发光薄膜研究虽然已经取得重大进展，但距离实用 化还有一定差距，对稀土有机配合物电致发光薄膜和器件研究还在深入进行。

　 　铽的荧光特性还被用作荧光探针。如氧氟沙星-铽（Tb3+）荧光探针，利用荧光光谱、吸收光谱研究氧氟沙星-铽（Tb3+）络合物与脱氧核糖核酸 （DNA）的相互作用，表明氧氟沙星-Tb3+探针与DNA分子之间可形成沟槽式结合，而脱氧核糖核酸能显著增强氧氟沙星-Tb3+体系的荧光，基于这种 变化，可以测定脱氧核糖核酸。用这种方法测定人血清中DNA的回收率，获得了满意结果。也可用铽-钛铁试剂络合物荧光猝灭法测定磷酸盐

　 　近年来，随着多媒体和办公自动化的高速发展，新型高容量磁光盘的需求日增。非晶态金属铽—过渡金属合金薄膜已用作制造高性能磁光光盘。其中使用性能最好 的有铽铁钴（TbFeCo）合金薄膜。铽系磁光材料已大规模生产，制成的磁光光盘，用作计算机存储元件，存储能力提高10～15倍，具有容量大及存取速度 快等优点，用于高存储密度光盘，可擦涂数万次，是电子信息存储技术的重要材料。在可见光及近红外波段目前最常用的磁光材料是铽镓石榴石单晶 (Terbium Gallium Garnet，TGG)，是用于制作法拉第旋光器与隔离器的最佳磁光材料。还有掺铽磁光玻璃，它们都具有优异的磁光旋转特性、透过率以及良好的机械、物理 和光学性能，是制造小体积、高性能可见光—近红外法拉第光旋转器、隔离器和环形器的关键材料，广泛应用于激光技术。

　 　材料在磁场作用下发生长度或体积变化的现象称磁致伸缩。铽镝铁磁致伸缩材料是20世纪80年代新开发出来的新型功能材料，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩 材料高约100～1000倍，因此被称为超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Materials,GMM）。它能实现磁电能与机械能的高效转换，具有转换效率高、驱动电压低、体积小、承受高压性强、适于低频工作等优点，通过与计算 机自动控制技术的结合，可以派生出一系列新技术、新工艺和新设备。最初主要用于海洋声纳技术，目前已广泛应用于精密机械致动器、传感器、换能器、卫星定位 系统、微型助听器、阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振和飞机机翼调节器等。美国边缘技术公司（EdgeTechnologies）于 1989年开始生产铽镝铁超磁致伸缩材料，并将其商品牌号定名为Terfenol-D，随后瑞典、日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出铽镝铁 超磁致伸缩材料。我国于20世纪90年代初开始进行稀土超磁致伸缩材料的研究，目前已能批量生产并开发出一些实用器件。铽镝铁作为最好的磁致伸缩材料，在 航空航天、超声技术、海洋探测与开采、水下移动通讯、高精密度控制等现代高技术领域和传统产业现代化方面具有异常广阔的应用前景。稀土超磁致伸缩材料作为 一种重要的智能材料，是提高一个国家尖端技术竞争力的重要材料，被看作21世纪战略性功能材料。西方发达国家对其犹为重视，美国政府把它列为对我国控制出 口的先进材料。稀土超磁致伸缩材料已进入一个稳定的需求快速增长期，近年来，Terfenol-D的市场平均年增长率达50％以上，其快速发展趋势与钕铁 硼永磁材料非常相似。

　　金属铽和铽铁合金被用作高性能钕铁硼永磁材料的改性添加剂。为了提高钕铁硼永磁材料的矫顽力和使用温度性能，往往要加入铽和镝，以加铽的效果最好。钕铁硼永磁材料是目前用量最大的稀土功能材料，因此也就成为铽的主要消费领域之一。

　 　总之，铽的许多优异特性使其成为许多功能材料不可缺少的一员，在一些应用领域处于无可取代的地位。但由于铽价格昂贵，人们一直在研究尽量不用和少用铽， 以求降低生产成本。例如：为提高钕铁硼永磁材料的矫顽力，尽量采用价格比较便宜的金属镝；稀土磁光材料也尽可能采用成本低的镝铁钴或钆铽钴等；在不得不用 的绿色荧光粉中也尽量减少铽的含量。价格已成为制约大量使用铽的重要因素。但许多功能材料又离不开它，只好本着“好钢用在刀刃上”的原则，尽可能节约用 铽。

　　我国南方离子型稀土矿，特别是江西赣州龙南地区的高钇型离子型稀 土矿，是含铽量最高的稀土矿，成为当今世界铽的主要矿源地。要合理开发和积极保护这类宝贵的铽资源。基于铽的贵重，要加强从钕铁硼废料和废旧荧光粉如废损 稀土节能荧光灯灯管中回收铽等重稀土的研究和生产，以大力发展铽的循环经济。